Dossier

Particules et noyaux, vers l’infiniment petit et au-delà

La physique nucléaire et celle des particules étudient les constituants infinitésimaux de la matière et leurs interactions. Les scientifiques explorent leur origine, leur nature, leurs propriétés et les mécanismes fondamentaux qui structurent la matière du monde qui nous entoure.

Claquages sous haute tension
Claquages sous haute tension

© Christophe BARUÉ / GANIL / CNRS Images

Voir le média

La physique nucléaire a pris son essor à la toute fin du XIXe siècle avec la découverte de l’électron, des rayons X et de la radioactivité. Les physiciens et physiciennes ont alors découvert qu’au centre de chaque atome se cache un noyau, composé de deux sortes de particules : des neutrons et des protons. Selon leur nombre, ces particules influent sur la nature de l’atome, sur ses propriétés, mais aussi sa forme et sa stabilité. Pour les étudier, les scientifiques ont appris à les manipuler, les casser (fissions), les fusionner... Aujourd’hui, plus de 300 noyaux stables ou quasi stables différents sont identifiés et de nouveaux, dits « exotiques », sont créés régulièrement dans des accélérateurs, comme au Ganil à Caen. L’enjeu est de comprendre les forces à l’œuvre dans les noyaux afin de prédire leur comportement dans la nature ou les processus cosmiques qui ont conduit à leur apparition sur Terre. Une tâche compliquée car les protons et neutrons sont eux-mêmes composés de particules élémentaires, les quarks, soudées entre elles par des gluons. Le noyau s’est avéré être un ensemble de particules en mouvement permanent, comme une sorte de fluide et d’une complexité qui défie encore aujourd’hui les scientifiques.

La physique des particules s’intéresse aux constituants élémentaires de la matière – ceux que l’on pense insécables – et à leurs interactions. Les scientifiques créent ces particules dans des collisionneurs, comme au Cern à Genève, où ils entrechoquent des électrons, des protons ou d’autres noyaux plus gros. De l’énergie produite par les collisions naissent des particules, parfois nouvelles, qui sont étudiées dans les détecteurs. C’est l’accumulation d’une grande quantité de données produites par un nombre considérable de collisions qui permet de découvrir ces nouvelles particules ou d’observer de nouveaux effets. La dernière particule découverte, en 2012 au Cern, est le boson de Higgs. Paradoxalement, cette exploration de l’infiniment petit permet de mieux comprendre l’infiniment grand, c’est-à-dire comment l’Univers a pu se structurer et devenir ce qu’il est aujourd’hui.

Les astroparticules désignent, de manière générique, tous les « messagers » reçus sur Terre en provenance du cosmos : neutrinos, rayons cosmiques, photons gamma ou ondes gravitationnelles. Les scientifiques s’intéressent à eux car ils témoignent des phénomènes les plus violents de l’Univers. Détecteurs géants, satellites et télescopes servent à traquer et ainsi étudier ces phénomènes cataclysmiques.

Découvrez en images l’étendue des recherches en physique nucléaire et physique des particules dans les laboratoires du CNRS.

Mots clés : accélérateur de particules, astroparticule, boson de Higgs, Cern, collisionneur, fission, fusion, Ganil, leptons, matière, modèle standard, neutron, noyau, nucléosynthèse, particule élémentaire, physique nucléaire, plasma de quarks et de gluons, proton, quark.

Open media modal

Uniquement disponible pour exploitation non commerciale

Portrait de Émilie Schibler, lauréate de la médaille de cristal 2019 du CNRS. Ingénieure de recherche en mécanique au sein de l'Institut de physique des deux infinis de Lyon (DR07), spécialisée dans le développement d'instruments et de détecteurs utilisés sur accélérateurs de particules, pour l'étude de l'infiniment petit.

Vidéo
6814
Médaille de Cristal 2019 : Émilie Schibler, ingénieure de recherche en mécanique
Open media modal

Les expériences menées par les scientifiques depuis des décennies, voire des siècles, leur ont permis de comprendre que la matière qui nous entoure est composée de particules élémentaires qui ont une masse. MM. Higgs, Englert et Brout ont formulé une explication possible à l'origine de cette masse, qui serait l'existence d'un champ de Higgs à travers lequel les particules se déplacent et acquièrent leur masse. Alexandre Zabi, Jessica Levêque et Marumi Kado, physiciens au…

Vidéo
3214
Chasse au boson de Higgs (La)
Open media modal

Uniquement disponible pour exploitation non commerciale

Portrait d'Elizabeth Petit, médaille de bronze du CNRS 2022, chercheuse en physique des particules au Centre de physique des particules de Marseille (CPPM), membre de la collaboration ATLAS au Cern, spécialiste du boson de Higgs. Les travaux d'Elisabeth Petit explorent le mécanisme d'émergence de la masse des particules élémentaires. Depuis son doctorat, obtenu en 2011 au Centre de physique des particules de Marseille, elle concentre ses recherches autour du boson de Higgs - la…

Vidéo
7705
Médaille de bronze 2022 : Elisabeth Petit, chercheuse en physique des particules
Open media modal

ANTARES est le premier télescope à neutrinos sous-marin mais c'est également un véritable laboratoire pluridisciplinaire sous la mer. Le détecteur est installé en Méditerranée, à 2500 m de fond. L'objectif du télescope est de détecter les neutrinos de haute énergie provenant du fin fond de l'Univers. Pour observer cette particule très furtive, les chercheurs ont dû installer le détecteur au fond de la mer car l'eau sert de révélateur des neutrinos. Ceux-ci…

Vidéo
1994
Pêcheurs d'étoiles
Open media modal

De la naissance du physicien Pierre Auger jusqu'à la création du CERN en 1952, ce film relate le parcours de quatre grands physiciens français. Pierre Auger, Bertrand Goldschmidt, Jacques Labeyrie et Georges Charpak nous évoquent leur parcours, travaux et les personnalités qu'ils ont rencontrées et avec qui ils ont pu travailler. Au fil de leurs interviews, illustrées par de nombreuses images d'archives, se dessine une histoire de l'énergie atomique en France. Grâce aux travaux de Pierre Auger…

Vidéo
6495
Géants de Science
Open media modal

Film réservé à la consultation

En Islande, l'équipe de muographie de l'Institut des 2 Infinis de Lyon (IP2I - Lyon) installe un détecteur à muons afin d'imager le volcan Snaefellsjökull. Jacques Marteau, physicien des particules lauréat de la médaille de l'innovation du CNRS 2022, présente ce procédé innovant qui permet d'obtenir une image de l'intérieur des structures traversées, comme avec les rayons X en imagerie médicale. La muographie devrait permettre de vérifier l'existence d'un système hydrothermal actif au sein du…

Vidéo
7716
Dans les entrailles du Snaefellsjökull
Open media modal

Uniquement disponible pour exploitation non commerciale

« En tant que physicien des particules, être reconnu pour une application industrielle de mes recherches est inattendu ! », reconnaît Jacques Marteau, de l'Institut de physique des deux infinis de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1). Pourtant, « grâce à une succession de belles rencontres et de hasards », le maître de conférences de l'Université Claude Bernard Lyon 1 a rapidement identifié le potentiel d'une technologie initialement développée pour la recherche fondamentale : le…

Vidéo
7465
Médaille de l'innovation 2022 : Jacques Marteau, pionnier de l'imagerie par muons
Open media modal

Uniquement disponible pour exploitation non commerciale

Portraits de Jacques Marteau et Denis Spitzer, lauréats de la médaille de l'innovation 2022 du CNRS. Jacques Marteau, pionnier de l'imagerie par muons « En tant que physicien des particules, être reconnu pour une application industrielle de mes recherches est inattendu ! », reconnaît Jacques Marteau de l'Institut de physique des deux infinis de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1). Pourtant, « grâce à une…

Vidéo
7468
Jacques Marteau et Denis Spitzer, médailles de l'innovation 2022
Open media modal

Uniquement disponible pour exploitation non commerciale

Les tableaux de nos musées sont-ils menacés de disparition ? En vieillissant, des phénomènes de dégradation apparaissent qui mettent en danger la survie des oeuvres. Ces changements sont étudiés conjointement par des restaurateurs et des chimistes comme c'est le cas au département restauration du Rijksmuseum d'Amsterdam. Les chercheurs y analysent des échantillons prélevés sur les tableaux. D'abord au microscope puis à l'aide d'un accélérateur de particules…

Vidéo
6718
Tableaux en danger : les grands enjeux se jouent à petite échelle

CNRS Images,

Nous mettons en images les recherches scientifiques pour contribuer à une meilleure compréhension du monde, éveiller la curiosité et susciter l'émerveillement de tous.